数字电源控制器UCD3138的数字比较器与模数转换器的应用说明

摘要
数字电源控制器UCD3138 内部集成有 4 个数字比较器，可以灵活配置其输入端和参考值。模拟前端（AFE）模块的绝对值量和EADC 的输出都可以作为数字比较器的输入，因此使用数字比较器可以实现对系统输出电压的故障响应与保护。UCD3138 内部集成有 16 个模数转换器（ADC），其中名称为 ADC15 的模数转换器不对外部开放，可以用来检测 3 个AFE 模块中任何一个的 EAP 或 EAN 引脚，实现对系统输出电压的精确采集，最终可以实现对输出电压的故障响应与保护。
 
1、UCD3138 的数字比较器
UCD3138 内部集成有4数字比较器，可以以AFE 的绝对值量或者误差值为输入端，灵活配置参考值，最终实现对系统输出电压故障（过压，欠压等）的快速响应与保护。
 
1.1 数字比较器的硬件电路简介
图 1 所示的是UCD3138 芯片内部模拟前端（Analog Front End，AFE）的框图。输出电压在分压后以差分信号的方式进入到AFE 模块，与参考电压（DAC0 的输出值）比较后得到误差信号（模拟量）；该误差信号在模数转换后变为数字量，然后输入到数字环路补偿模块（Filter）。

Figure 1. UCD3138 AFE 模块框图

 
为丰富应用的灵活性，用户设置的参考值（数字量）与EADC 的输出值（数字量）相加后生成一个叫做“ 绝对值量（absolute value）” 的数字信号，可以表征实际采集到的电压信息（即Vd 的值）。
UCD3138 的数字比较器就是以数字误差信号（B 点值）或绝对值量（C 点值）作为一个输入端，参考电压值（用户可以自行设置）为另一个输入端所组成，触发后可以配置其关断任何一路DPWM。
UCD3138 中有3 个AFE 模块，同样地，也有4 个数字比较器。
 
1.2 数字比较器涉及的关键寄存器
 
1.2.1 EADC的输出
EADC 的输出是参考电压与输入模拟量相减后的值在数字化之后的信息量，即数字误差量，其范围与AFE 自身的增益有直接关系。例如，当增益值设置为1 时，其输出范围是+248~-256；而增益设置为8 时，输出范围是+31~-32.
寄存器EADCRAWVALUE 的第0~8 位（共9bit，名称为RAW_ERROR_VALUE）保存的即为EADC 的输出，分辨率为1mV/bit。
 
1.2.2 DAC的输入
DAC 的输出即为系统的参考电压。在UCD3138 的实际应用中，用户可以设置DAC 的输入值，为数字信号量。寄存器EADCDAC 的第4~13 位（共10bit，名称为DAC_VALUE）保存了用户的设置值。分辨率为1.5625mV/bit。
 
1.2.3 绝对值量
寄存器 EADCVALUE 的第16~25 位（共10bit，名称为ABS_VALUE）保存的就是绝对值量，分辨率为1.5625mV/bit。
上文提到，绝对值量是EADC 的输出信息与DAC 的输入信息相加得到的，但并不是二者数字量的直接相加，因为其分辨率不同。事实上，上述三个数字量所各自表征的模拟量存在等式关系。
例如，某条件下，EADC 的输出（ERROR_VALUE）为192；DAC 的输入为747；绝对值量(ABS_VALUE)为624，如下图2 所示。

Figure 2. Memory Debugger 中读取到的寄存器值

 
显然，747-624=123≠ 192。但是，各自的模拟量则满足等式关系，如下：
? EADC 的输出192 对应的模拟量为192×1mV/bit=192mV；
? DAC 的输入747 对应的模拟量为 747×1.5625mV/bit=1167.1875mV；
? 绝对值量624 对应的模拟量为 624×1.5625mV/bit=975mV；
◎ 最终，1167.1875-975=192.1875≈ 192.
或者，三个数字量可以在增加衰减系数后存在如下等式关系：

 
1.3 数字比较器的软件配置
在程序初始化阶段，可以完成对数字比较器的配置。以配置数字比较器0 为例，主要代码如下：
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.CNT_THRESH = 1;
上述代码配置只需触发一次数字比较器就会产生一个fault。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.FE_SEL = 0;
上述代码配置数字比较器的输入为AFE0 的绝对值量。也可以配置为EADC 的输出。另外，其余两个AFE 的绝对值量和EADC 的输出也可以配置为数字比较器0 的输入。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.COMP_POL = 1;
上述代码配置为数字比较器的输入高于参考量后才会触发。
FaultMuxRegs.DCOMPCTRL0.bit.THRESH = 850;
参考量设置为850。如果输入量选择为绝对值量，则当Vd 电压大于850×1.5625mV/bit =1.33V 时便会触发数字比较器。
FaultMuxRegs.DPWM0FLTABDET.bit.DCOMP0_EN=1;
上面代码配置为，数字比较器触发后立即关断DPWM0A 和DPWM0B。
 
1.4 数字比较器的实际应用结果
实际调试时，图1 的Vd 处外接一个可调电压，并由0V 慢慢增大。可以观察到，当电压超过1.33V 后，驱动信号便立即被关闭，符合预期，如下图3（CH3 为Vd 电压，CH2 为DPWM0B）。

Figure 3. 数字比较器触发后关闭DPWM0B

 
1.5 数字比较器的实际应用结果
实际应用中需要注意EADC 的饱和问题。
上文1.2 节提到，EADC 的输出有一定的范围，当输入过大或过小时，EADC 的输出会固定在其上限或下限，此时便是EADC 处于了饱和状态。仍以上面提到的实验为背景进行说明，其中AFE的增益设置为1。
当 Vd 电压为554mV 时，绝对值量预计为355（因为554/1.5625≈ 355），EADC 的输出预计为613（参考1.2 节最后的等式）。而实际读取发现，绝对值量为588，EADC 的输出为248，这与设想完全不同。分析原因可知，此时EADC 已经处于了正向饱和，输出的上限为248。

Figure 4. EADC 正向饱和

 
同样地，当 Vd 电压为1.64V 时，绝对值量预计为1050（因为1640/1.5625≈ 1050），EADC 的输出预计为-473（参考1.2 节最后的等式）。而实际读取发现，绝对值量为911，EADC 的输出为-256，这与设想也是完全不同。分析原因亦可知，此时EADC 已经处于负向饱和，输出的下限为-256。

Figure 5. EADC 负向饱和

 
综合上面分析可知，在DAC 的值固定后，绝对值量存在一个范围，该范围与AFE 的增益有直接关系，如下表所示。
Table 1. 绝对值量范围和AFE 增益的关系

 
可以观察到，如果AFE 的增益设置为8，DAC 的值为747 时，绝对值的范围是727~767。此时，如果计划让数字比较器在Vd 为1.33V 时触发，则其参考值需要设置为850。然而，数字比较器的另一端（输入为绝对值）最大仅为767，因此数字比较器将没有机会被触发。
实际应用中，设置数字比较器的参考值时需要考虑AFE 的增益，以防止因EADC 提前饱和导致其输出被钳制而无法触发数字比较器。
 
2、UCD3138 的内部模数转换器ADC15
UCD3138 芯片内部共有16 个模数转换器，其中ADC15 可以在芯片内部连接到AFE 模块的EAP或EAN 引脚。实际应用中，ADC15 可以用来检测系统的反馈电压，在软件中可以还原出实际的输出电压。
 
2.1 ADC15 的配置
UCD3138 芯片内部的ADC15 可以连接到任意一个AFE 模块的EAP 或EAN 引脚，完成模拟信号的数字化。在应用时，与其它ADC 的配置方式非常相似，唯一的差别是需要配置ADC15 到指定的AFE。
下面三行代码是完成ADC15 与AFE 的关联。其中，AFE_MUX_CH_SEL 为1 是指ADC15 连接到AFE0；AFE_VIN_MUX 为0 是指ADC15 连接到EAP 引脚。
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_SEL=3;
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_VIN_MUX=0;
MiscAnalogRegs.AFECTRL.bit.AFE_MUX_CH_SEL=1;
综合上述配置，ADC15 是连接到了AFE0 的EAP 引脚，即可以检测图1 中的Vd 电压。
 
2.2 实验结果
如图 4，当Vd 为554mV 时，ADC15 的结果（adc_values.Vout）为902。二者近似符合下面的等式：

如图5，当Vd 为1.64V 时，ADC15 的结果（adc_values.Vout）为2681。二者近似符合下面的等式：

上述物理值与数字量之间的差别，主要是测量误差导致。
 
3、UCD3138 的内部模数转换器ADC15
UCD3138 芯片内部的数字比较器和模数转换器ADC15 都可以用来处理与输出电压相关的工作。
其中，数字比较器配置之后可以实现对输出电压过压或欠压等的快速响应与保护；ADC15 配置之后可以精确的采集输出电压信息，然后借助软件设计同样可以实现对输出电压的故障保护。